CN116333690A - 一种低温蓄冷相变材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变温度恒定在‑15～‑10℃的低温蓄冷相变材料，采用以下重量份配比的原料制成:主体材料45‑50份，所述主体材料为水，温度调节材料42‑50份，所述温度调节材料包括氯化钾和硫酸钠，其中，氯化钾35‑40份，硫酸钠7‑10份，导热强化材料2‑4份，所述导热强化材料为纳米石墨粉，成核剂7‑12份，所述成核剂为硼砂，增稠剂3‑5份，所述增稠剂选自羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素。本发明提供了一种新的无机超低温储冷材料，相变潜热高，无挥发，稳定性好，无毒无害，非危化品；相对于有机低温储冷材料，其安全性、环保性、导热性能更好，成本更低；制备方法操作简单，易于实行。
Description
技术领域
本发明涉及蓄冷材料技术，具体涉及一种相变温度为-10～-15℃的低温蓄冷相变材料及其制备方法。
背景技术
相变材料(PCM)储能是利用材料物态转变过程中伴随的能量吸收和释放而进行，可实现控制环境温度和能量利用的目的。相变储能技术具有储能密度高和储能设备体积小的优点，较常规显热储能技术，储能系统体积可以减小30％-50％，另外，由于相变材料在相变过程中温度易控制，且具有温度选择范围宽等优点，因此将相变材料应用于冷链技术，不仅可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾，实现电力削峰填谷，提高能源利用效率，还可实现一定空间内温度的恒定调控。
我国冷链物流消费需求和市场规模不断扩大，现有低温蓄冷相变材料技术有待开发和提高才能满足国内冷链产业的发展需求，如专利申请CN106433568A中，其主储能剂使用氯化铵，由于氯化铵具备一定挥发性，在冻融循环中将会对材料寿命产生一定的影响。专利申请CN110204446A中使用体系的主材为有机材料，其本身导热较小，影响蓄放冷速率。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种相变温度恒定在-15～-10℃的低温蓄冷相变材料，采用以下重量份配比的原料制成:
主体材料45-50份，所述主体材料为水，
温度调节材料42-50份，所述温度调节材料包括氯化钾和硫酸钠，其中，氯化钾35-40份，硫酸钠7-10份，
导热强化材料2-4份，所述导热强化材料为纳米石墨粉，
成核剂7-12份，所述成核剂为硼砂，
增稠剂3-5份，所述增稠剂选自羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素。
优选地，所述温度调节材料中氯化钾和硫酸钠的质量比为4-5:1。
优选地，所述低温蓄冷相变材料，采用以下重量份配比的原料制成:
纳米石墨粉2-3份，增稠剂4-5份，水48-50份，氯化钾35-37份，硫酸钠7-9份，硼砂9-12份；或者，
纳米石墨粉3-4份，增稠剂3-4份，水45-47份，氯化钾39-40份，硫酸钠9-10份，硼砂7-8份；或者，
纳米石墨粉3-4份，增稠剂3-5份，水45-48份，氯化钾37-40份，硫酸钠9-10份，硼砂7-9份。
优选地，所述低温蓄冷相变材料，采用以下重量份配比的原料制成:
纳米石墨粉2份，增稠剂5份，水50份，氯化钾35份，硫酸钠7份，硼砂12份；或者
纳米石墨粉2份，增稠剂5份，水48份，氯化钾36份，硫酸钠8份，硼砂10份；或者
纳米石墨粉3份，增稠剂5份，水48份，氯化钾37份，硫酸钠9份，硼砂9份；或者
纳米石墨粉3份，增稠剂4份，水47份，氯化钾39份，硫酸钠9份，硼砂8份；或者
纳米石墨粉4份，增稠剂3份，水45份，氯化钾40份，硫酸钠10份，硼砂7份。
上述任一项所述的低温蓄冷相变材料，其凝固点为-15～-10℃，相变潜热为相变潜热为190～230kJ/kg。
本发明还提供了上述任一所述的低温蓄冷相变材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将温度调节剂、成核剂、主体材料、导热强化材料、增稠剂按照重量份比例混合，得到混合溶液；(2)将混合溶液在常温下进行搅拌使其混合均匀，得到低温蓄冷相变材料。
优选地，所述制备方法包括以下步骤：将温度调节剂、成核剂加入主体材料中，充分搅拌混合均匀后，加入导热强化材料、增稠剂，持续搅拌至混合均匀，得到低温蓄冷相变材料。
优选地，所述制备方法包括以下步骤：将温度调节剂、成核剂加入主体材料中，搅拌7-20min，加入导热强化材料、增稠剂，搅拌15-30min，得到低温蓄冷相变材料
优选地，所述搅拌的转速为400～600r/min，优选500r/min。
本发明最后还提供了上述任一所述的低温蓄冷相变材料在物品储存、冷链运输中的应用，优选所述应用为在低温条件下储能，保持环境恒温；优选在水果、蔬菜、药品或血液的储存或冷链运输中应用。
本发明以水为相变主体材料，筛选了不同无机盐作为温度调节剂，最终确定采用氯化钾和硫酸钠作为温度调节剂，不仅能降低水的相变温度，还能保证相变材料具有低的过冷度，通过调整氯化钾和硫酸钠的量在一定范围内，使得材料的相变温度在一定范围内。但是，由该两种原料得到的相变材料存在一定得过冷度，且材料导热性能较差；通过添加硼砂，可大大降低材料的过冷度，通过添加纳米石墨，一方面可大大提高材料的导热性能，另一方面对降低材料的过冷度也有益处；由于石墨的密度小于溶液的密度，其在体系中不能均匀稳定存在，会发生升降，导致材料性能均匀性变差，影响材料的整体性能；因此，通过添加性能优异的水溶性增稠剂的方式，使得石墨在体系中稳定存在，不会发生升降。
本发明的有益效果是：提供了一种新的无机超低温储冷材料，相变温度恒定在-10～-15℃，相变潜热高，无挥发，稳定性好，无毒无害，非危化品；相对于有机低温储冷材料，其安全性、环保性、导热性能更好，成本更低；制备方法操作简单，易于实行。
附图说明
图1是实施例3的相变材料的降温曲线。
图2是实施例3的相变材料的DSC检测结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明。
下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法；所用材料和试剂，如无特殊说明，均为本领域常规材料和试剂，均可商购获得。
实施例中主要试剂和材料：
实施例1制备本发明的蓄冷相变材料
按照如下步骤操作：将50g水放入250ml烧杯中，用搅拌器开启搅拌，再分别将35g氯化钾、7g硫酸钠、12g硼砂缓缓加入烧杯中，充分搅拌10min后，再先后加入2g纳米石墨粉和5g羧甲基纤维素钠，持续搅拌20min后得到相变蓄冷材料，搅拌转速为500r/min。
按照上述方法制备实施例2-5、对比例1-5的相变材料，具体材料和配比如表1、2中所示：
表1.实施例1-5的相变材料的原料和配比
表2.对比例1-5的相变材料的原料和配比
对表1、2中的相变材料进行性能检测，结果如表3中所示。实施例3的相变材料的降温曲线和DSC检测结果分别如图1、2所示。
表3
实施例1和对比例1相比，实施例1添加了成核剂硼砂，对比例1未添加硼砂，实施例1的相变潜热较对比例1有明显增加，对比例1的过冷度高达6℃，加入硼砂基本可以消除过冷度。实施例1的相变材料的循环稳定性比对比例1的更好。
实施例2和对比例2相比，实施例2添加了导热强化材料纳米石墨粉，对比例2未添加，对比例2的导热系数显著下降，相变潜热也有所下降，说明纳米石墨粉的加入可以大幅增加导热系数并提高相变潜热。实施例2的相变材料的循环稳定性比对比例2的更好。
实施例3和对比例3相比，实施例3添加了增稠剂羧甲基纤维素钠，对比例3中未添加。实施例3的相变材料的循环稳定性好。对比例3的导热系数显著下降，过冷度高达5～7℃，过冷度不稳定，纳米石墨在表面漂浮，与体系不相容，且循环稳定性差。可见，添加增稠剂可以显著提高相变材料的导热系数，显著减小过冷度，提高材料的稳定性。
实施例4和对比例4相比，对比例4将实施例4中的原料氯化钾替换为氯化钠，相变潜热和导热系数均有所降低，且过冷度增加较多，说明氯化钠与氯化钾相比，在本发明的相变材料中会导致过冷度有较为明显的增加。
实施例5和对比例5相比，对比例5将实施例5中的原料硫酸钠替换为氯化钠，相变潜热有所降低，且产生了较大的过冷度。同时会在其他温度点上出现相变，分走一部分有效相变成分，导致其在-16～-18℃上相变焓减少。
Claims (10)
1.一种低温蓄冷相变材料，其特征在于：采用以下重量份配比的原料制成:
主体材料45-50份，所述主体材料为水，
温度调节材料42-50份，所述温度调节材料包括氯化钾和硫酸钠，其中，氯化钾35-40份，硫酸钠7-10份，
导热强化材料2-4份，所述导热强化材料为纳米石墨粉，
成核剂7-12份，所述成核剂为硼砂，
增稠剂3-5份，所述增稠剂选自羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素。
2.根据权利要求1所述的低温蓄冷相变材料，其特征在于：
所述温度调节材料中氯化钾和硫酸钠的质量比为4-5:1。
3.根据权利要求1或2所述的低温蓄冷相变材料，其特征在于：采用以下重量份配比的原料制成:
纳米石墨粉2-3份，增稠剂4-5份，水48-50份，氯化钾35-37份，硫酸钠7-9份，硼砂9-12份；或者，
纳米石墨粉3-4份，增稠剂3-4份，水45-47份，氯化钾39-40份，硫酸钠9-10份，硼砂7-8份；或者，
纳米石墨粉3-4份，增稠剂3-5份，水45-48份，氯化钾37-40份，硫酸钠9-10份，硼砂7-9份。
4.根据权利要求3所述的低温蓄冷相变材料，其特征在于：采用以下重量份配比的原料制成:
纳米石墨粉2份，增稠剂5份，水50份，氯化钾35份，硫酸钠7份，硼砂12份；或者
纳米石墨粉2份，增稠剂5份，水48份，氯化钾36份，硫酸钠8份，硼砂10份；或者
纳米石墨粉3份，增稠剂5份，水48份，氯化钾37份，硫酸钠9份，硼砂9份；或者
纳米石墨粉3份，增稠剂4份，水47份，氯化钾39份，硫酸钠9份，硼砂8份；或者
纳米石墨粉4份，增稠剂3份，水45份，氯化钾40份，硫酸钠10份，硼砂7份。
5.根据权利要求1-4任一所述的低温蓄冷相变材料，其特征在于：所述低温蓄冷相变材料的凝固点为-15～-10℃，相变潜热为相变潜热为190～230kJ/kg。
6.一种权利要求1-5任一所述的低温蓄冷相变材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将温度调节剂、成核剂、主体材料、导热强化材料、增稠剂按照重量份比例混合，得到混合溶液；(2)将混合溶液在常温下进行搅拌使其混合均匀，得到低温蓄冷相变材料。
7.根据权利要求6所述的低温蓄冷相变材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将温度调节剂、成核剂加入主体材料中，充分搅拌混合均匀后，加入导热强化材料、增稠剂，持续搅拌至混合均匀，得到低温蓄冷相变材料。
8.根据权利要求6所述的低温蓄冷相变材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：将温度调节剂、成核剂加入主体材料中，搅拌7-20min，加入导热强化材料、增稠剂，搅拌15-30min，得到低温蓄冷相变材料。
9.根据权利要求6至8任一项所述的低温蓄冷相变材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌的转速为400～600r/min，优选500r/min。
10.根据权利要求1-5任一所述的低温蓄冷相变材料在物品储存、冷链运输中的应用，优选所述应用为在低温条件下储能，保持环境恒温；优选在水果、蔬菜、药品或血液的储存或冷链运输中应用。
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